BIM in der Tragwerksplanung

23. Juni 2014

Bei Bauvorhaben mit aufwendiger Geometrie ist eine Planung mit CAD- und Statik-Software ohne Datenübergabe im Prinzip kaum mehr möglich. Dies zeigen beispielsweise die Projekte Bahá’í Temple in Chile und Überdachungen Messe Frankfurt.

Bei beiden wurde die Modellierung in Rhinoceros durchgeführt. Anschließend erfolgte die Übergabe der Geometriedaten an die Statiksoftware RSTAB bzw. RFEM. Beide Statikprogramme verfügen über eine Vielzahl an leistungsstarken Schnittstellen, die eine BIM-orientierte Planung ermöglichen. Sie haben beispielsweise direkte Schnittstellen zu Tekla Structures, Revit Structure, Autodesk Structural Detailing und Bentley ISM.

Bahá’í Temple in Chile

Der „Tempel des Lichts“ wird derzeit in Chile errichtet und soll Ende 2014 fertiggestellt sein. Er ist einer von acht Bahá’í-Tempeln weltweit. Die monotheistische Bahá’í-Religion hat ca. sieben Millionen Anhänger.

Die Josef Gartner GmbH erhielt den Auftrag für die Planung, Fertigung und Montage der kompletten Struktur ab Oberkante Betondecke.

Die Form des Tempels ähnelt einer neunblättrigen Lotusblüte. Das Gebäude hat einen Durchmesser von ca. 34 m und ist etwa 30 m hoch. Der Unterbau besteht aus einer zweistöckigen Betonkonstruktion und einer Flachgründung.

Da der Bauort in Chile in einer Region mit hoher Erdbebengefährdung liegt, musste die Struktur schwingungsmäßig horizontal vom Untergrund entkoppelt werden. Dazu wurden zwischen den Betonstützen und der zweiten Zwischendecke insgesamt zehn Gleitpendellager angeordnet.

Die Stahltragkonstruktion besteht aus einer Art Raumfachwerk mit einer Ober- und Untergurtlage bestehend aus Rechteckprofilen sowie Rund-rohrdiagonalen als Verbindungselemente. Neun baugleiche Blätter schließen am Hochpunkt zusammen und bilden eine Lichtkuppel (Oculus). Das Gerippe der Struktur wird, wie bei echten pflanzlichen Blättern, durch ein inneres Gerüst aus stärkeren Rundrohren d=323,9 mm gebildet.

Modellierung in Rhinoceros

Die Modellierung des Tempels erfolgte in Rhinoceros. Das 3D-Linienmodell wurde dann sowohl an RSTAB als auch an RFEM übergeben und in enger Zusammenarbeit mit dem Architekten optimiert.

Das Statikmodell der Stahlkonstruktion berechnete Gartner in RSTAB und RFEM unter Berücksichtigung der Erdbebenbeanspruchung.

Überdachungen für die Eingangstore der Messe Frankfurt

Die Messe Frankfurt GmbH lobte 2008 einen Architekturwettbewerb für den Entwurf der Neugestaltung der Eingangssituation zum Messegelände aus. Für die Tore Süd und Nord sollten u. a. Überdachungen mit hohem Wiedererkennungswert geschaffen werden.

Das Rennen machte der Siegerentwurf des Architekten Ingo Schrader, Berlin, der in enger Zusammenarbeit mit den Tragwerksplanern Bollinger + Grohmann entstand. Im August 2013 wurde die Überdachung am Tor Nord fertiggestellt.

Dachkonstruktion Tor Nord

Die Dachform bildet ein Oval. Es misst 42 m x 18 m bei einer max. Lamellenhöhe von 60 cm. Das Dach kragt bis zu 10 m aus und ist am Rand nur 15 cm hoch. Es wird getragen von vier Stützen. Diese stehen in einem unregelmäßigen Raster und bilden durch ihre Pyramidenform den Kräfteverlauf ab. Durch ihre Dreiecksform wirken sie besonders schlank – das Dach scheint zu schweben.

Verbindung von Rhinoceros mit RSTAB durch VBA-Skript

Das Dachtragwerk wurde mit Hilfe eines Rechenmodells generiert und optimiert. Die Achsen der tragenden Lamellen sind dabei scheinbar zufällig angeordnet. Jedoch ist deren Anordnung das Ergebnis eines computerbasierten Entwurfsprozesses, bei dem strukturelle, formelle und herstellungsbedingte Randbedingungen in Einklang gebracht wurden.

Anschließend erfolgte die Optimierung der Lamellen in ihrer Höhe und Breite. Dazu wurde über ein individuell erstelltes VBA-Skript das Design-Programm Rhinoceros mit RSTAB verbunden. Ein spezieller Algorithmus reduzierte die Querschnittsdimension der Flachstahllamellen iterativ auf Grundlage der auftretenden Vergleichsspannungen.

Schnittstellen von RSTAB und RFEM

Der Datenaustausch zwischen Rhinoceros und den Dlubal-Programmen funktioniert derzeit über das Austauschformat DXF. Es ist das gebräuchlichste Austauschformat im CAD-Bereich.

Über die DXF-Schnittstelle können beispielsweise die Linien der einzelnen Layer als Stäbe in RSTAB/RFEM importiert werden.

Weitere in RSTAB/RFEM zur Verfügung stehende Austauschformate sind neben vielen anderen IFC, STP (z. B. für Intergraph, Advance Steel, SEMA, Cadwork, HSB-Cad usw.) und DSTV (z. B. für Bocad und Frilo).

Direkte Schnittstellen in RSTAB und RFEM

Wie eingangs erwähnt, besitzen die Dlubal-Programme direkte Schnittstellen zu Tekla Structures, Revit Structure, Autodesk Structural Detailing und Bentley ISM.

Zu Autodesk Structural Detailing lassen sich die Bemessungsergebnisse des RFEM-Zusatzmoduls RF-BETON Flächen mitsamt Geometrie übergeben. Es können beispielsweise die in RF-BETON Flächen berechneten Ergebniswerte für die erforderliche obere und untere Bewehrung übertragen werden. In Autodesk Structural Detailing werden dann die entsprechenden Bewehrungspläne erstellt.

Die Schnittstellen zu Tekla Structures, Revit Structure und Bentley ISM funktionieren bidirektional. Das heißt, es lassen sich Daten in beide Richtungen übertragen. Das hat den Vorteil, dass Änderungen in dem einen Modell einfach per Knopfdruck im anderen Modell aktualisiert werden können.

Die Intelligenz der Objekte geht bei der Datenübertragung nicht verloren, Stäbe bleiben Stäbe, Wände bleiben Wände usw. Ebenso werden unter anderem im Modell enthaltene Querschnitts-, Lager- und Gelenkinformationen übergeben.

Um dem Anwender die Möglichkeit einer BIM-orientierte Planung zu geben, passt Dlubal seine Schnittstellen fortlaufend an die aktuellen Versionen der anderen Programme an. Zudem werden die Schnittstellen ständig weiterentwickelt.

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